現(xiàn)代汽車系統(tǒng)控制技術(shù)第十一章

現(xiàn)代汽車系統(tǒng)控制技術(shù)第十一章1第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1概述11.1.1電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)與原理1．電動(dòng)汽車的分類按使用的電池類型不同，電動(dòng)汽車可以分為(1)燃料電池電動(dòng)汽車；(2)鎳氫電池電動(dòng)汽車；(3)鋰離子電池電動(dòng)汽車；(4)鉛酸蓄電池電動(dòng)汽車。2．電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)與原理電動(dòng)汽車由車載電源(電池和充電器等)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及控制器、車體(底盤和車身等)三部分組成。2第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月3．發(fā)展電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)開發(fā)和使用電動(dòng)汽車，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)純電動(dòng)汽車的最大優(yōu)點(diǎn)是無排放污染(零排放汽車ZEV)。它本身不排放污染大氣的有害氣體，即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放，除硫和微粒外，其他污染物也顯著減少，由于電廠大多建于遠(yuǎn)離人口密集的城市，對人類傷害較少，而且電廠是固定不動(dòng)的，排放集中，且已有相關(guān)技術(shù)來清除各種有害排放物。(2)由于電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力等，可解除人們對石油資源日漸枯竭的擔(dān)心。(3)電動(dòng)汽車還可以充分利用晚間用電低谷時(shí)富余的電力充電，使發(fā)電設(shè)備日夜都能充分利用，大大提高其經(jīng)濟(jì)效益。3第3頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1.2電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)布置方式電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心部分，其性能決定著電動(dòng)汽車運(yùn)行性能的好壞。目前，電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)具有以下四種布置方式：(1)第一種與傳統(tǒng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的布置方式一致，帶有變速器。這種布置可以提高電動(dòng)汽車的起動(dòng)扭矩，增加低速時(shí)電動(dòng)汽車的后備功率。(2)第二種取消了離合器和變速器。這種方式對電動(dòng)機(jī)的要求較高，不僅要求電動(dòng)機(jī)具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而且要求具有較大的后備功率，以保證電動(dòng)汽車的起動(dòng)、爬坡、加速超車等動(dòng)力性。4第4頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)第三種布置方式將電動(dòng)機(jī)裝到驅(qū)動(dòng)軸上，直接由電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變速和差速轉(zhuǎn)換。這種傳動(dòng)方式同樣對電動(dòng)機(jī)有較高的要求，大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和后備功率，同時(shí)不僅要求控制系統(tǒng)有較高的控制精度，而且要具備良好的可靠性，從而保證電動(dòng)汽車行駛的安全、平穩(wěn)。(4)第四種布置同第三種布置方式比較接近，將電動(dòng)機(jī)直接裝到驅(qū)動(dòng)輪上，由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪行駛。5第5頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11.2電動(dòng)汽車動(dòng)力電池11.2.1動(dòng)力電池概述1．動(dòng)力電池發(fā)展概況從目前國內(nèi)外電動(dòng)汽車的發(fā)展水平看，除了儲(chǔ)能動(dòng)力源外，其他技術(shù)都已突破，唯一不理想的就是動(dòng)力電池，特別是對電動(dòng)汽車蓄電池荷電狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測阻礙了電動(dòng)汽車市場化的發(fā)展，電動(dòng)汽車的性能在很大程度上取決于其所使用的動(dòng)力電池。研究和開發(fā)高性能的蓄電池在電動(dòng)汽車的發(fā)展上是一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)。蓄電池的性能參數(shù)包括能量密度、功率密度、能量效率、充電率以及循環(huán)使用壽命等。6第6頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2．動(dòng)力電池的性能指標(biāo)蓄電池作為電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能動(dòng)力源，在電動(dòng)汽車上發(fā)揮著非常重要的作用，要評(píng)定蓄電池的實(shí)際效應(yīng)，主要是看蓄電池的性能指標(biāo)。蓄電池的性能指標(biāo)主要有以下幾種：1)荷電狀態(tài)2)能量3)能量密度4)功率5)成本7第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11.2.2鉛酸電池的基本工作原理鉛酸電池使用時(shí)，把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的過程叫放電。在使用后，借助于直流電在電池內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能而儲(chǔ)蓄起來，這種蓄電過程叫做充電。鉛酸電池是酸性蓄電池，其化學(xué)反應(yīng)式為8第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11.2.3鉛酸電池的基本電特性蓄電池的性能指標(biāo)影響了電動(dòng)汽車的啟動(dòng)、加速、制動(dòng)以及續(xù)駛里程等各項(xiàng)電動(dòng)汽車性能，也是蓄電池作為電動(dòng)汽車儲(chǔ)能動(dòng)力源的主要決定因素。鉛酸蓄電池廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車，與其性能指標(biāo)和基本電特性是分不開的。9第9頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11.2.4鉛酸蓄電池?cái)?shù)學(xué)模型在相同的充、放電模式下，單體電池間一致性的評(píng)價(jià)包括對電池的工作電壓變化的一致性、電壓內(nèi)阻變化的一致性、電池容量變化一致性等三方面的內(nèi)容。電池的端電壓是一個(gè)與電池所處的環(huán)境溫度和電荷荷電狀態(tài)相關(guān)的函數(shù)，確定它們之間的關(guān)系，是確定電池電動(dòng)勢方程的關(guān)鍵。10第10頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11.3電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車主要的區(qū)別在于動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)汽車使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，行駛時(shí)，由蓄電池輸出電能，通過控制器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)車輛行駛。高性能的電動(dòng)汽車都普遍采用異步電動(dòng)機(jī)。對于交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，定子繞組輸入電壓相位和幅值的變化，都能引起電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)。同樣，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的突變也會(huì)引起瞬態(tài)響應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的不平衡，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生加速或減速，最終達(dá)到一個(gè)新的速度值。11第11頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11.3.1電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類型1．直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用有刷直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)控制器一般采用斬波控制器。2．交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)美國生產(chǎn)的電動(dòng)汽車多數(shù)采用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前對于交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制方法有很多，常用的控制方法有：變頻變壓控制、磁場定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。12第12頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月3．開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，隨著新技術(shù)的不斷更新和進(jìn)步，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的潛力已經(jīng)得到了越來越多的人的認(rèn)同。4．無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心是無刷直流電動(dòng)機(jī)，它是目前應(yīng)用最廣泛的電動(dòng)機(jī)，許多世界知名公司的電動(dòng)汽車都采用了無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。13第13頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11.3.2交流異步電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)的磁通由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生，可以不參與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程(弱磁調(diào)速時(shí)除外)，因此它的動(dòng)態(tài)模型只是一個(gè)獨(dú)立的輸入變量——電樞電壓，一個(gè)輸出變量——轉(zhuǎn)速。交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和直流電動(dòng)機(jī)模型存在著很大的區(qū)別。14第14頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11.4電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真ADVISOR軟件設(shè)計(jì)了車輛(Vehicle)、發(fā)動(dòng)機(jī)(FuelConverter)、能源儲(chǔ)存系統(tǒng)(EnergyStorageSystem簡稱ESS)和電動(dòng)機(jī)(Motor)等多個(gè)部件的仿真模型，每個(gè)仿真模型包括版本、類型和部件的參數(shù)值。ADVISOR提供了驅(qū)動(dòng)循環(huán)(DriveCycle)、多重循環(huán)(MultipleCycles)和測試過程(TestProcedure)三種仿真工況來仿真車輛的性能。15第15頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11.4.1電動(dòng)汽車牽引電動(dòng)機(jī)建模1．牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩限制模塊牽引電動(dòng)機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)矩是有一定的范圍的，輸出轉(zhuǎn)矩不能大于牽引電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩值，也不能小于怠速轉(zhuǎn)矩值。2．牽引電動(dòng)機(jī)速度限制模塊牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也是在一定范圍的，轉(zhuǎn)速不能太高，以保證電動(dòng)汽車能夠平穩(wěn)行進(jìn)，也不能太低，以使電動(dòng)汽車能夠快速起動(dòng)。因此應(yīng)該建立電動(dòng)汽車牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制的模塊，用該模塊進(jìn)行牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速限制，控制牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以用來快速起動(dòng)電動(dòng)汽車，使電動(dòng)汽車平穩(wěn)行駛。16第16頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月3．牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊在ADVISOR的牽引電動(dòng)機(jī)模塊中，建立了牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算的模塊。通過該模塊，可以計(jì)算牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小。4．牽引電動(dòng)機(jī)溫度控制模塊電動(dòng)汽車牽引電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行工作的時(shí)候，應(yīng)該考慮其溫度的影響。牽引電動(dòng)機(jī)的溫度太高，會(huì)使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)的電阻變大，影響牽引電動(dòng)機(jī)的性能。17第17頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月5．牽引電動(dòng)機(jī)總成建模綜上建立的牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩限制的模塊、轉(zhuǎn)速限制的模塊、轉(zhuǎn)矩計(jì)算的模塊以及牽引電動(dòng)機(jī)溫度控制模塊。電動(dòng)機(jī)及其控制模塊能夠把需求的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化成電能需求并把電能轉(zhuǎn)化成扭矩和轉(zhuǎn)速輸出。對于混合動(dòng)力系統(tǒng)交流電動(dòng)機(jī)建模來說，可以只考慮電動(dòng)機(jī)及控制器的功率損失、轉(zhuǎn)子慣量損失和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)速圖。18第18頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11.4.2電動(dòng)汽車鉛酸蓄電池模塊的建立1．蓄電池開路電壓和內(nèi)阻計(jì)算模塊這個(gè)模塊主要是用來計(jì)算蓄電池的開路電壓和內(nèi)阻，根據(jù)SOC值和蓄電池的溫度，采用插值法，分別求出開路電壓和充電及放電時(shí)的內(nèi)阻。得到的單個(gè)電池的電壓與電池塊數(shù)的乘積為總的開路電壓輸出值，單個(gè)電池的充電或放電內(nèi)阻乘以電池塊數(shù)并經(jīng)過轉(zhuǎn)換控制器得到合適的內(nèi)阻。2．蓄電池功率限制模塊這個(gè)模塊可以防止用來計(jì)算電池負(fù)載電流的功率超出SOC、等效電路的參數(shù)值和電動(dòng)機(jī)控制器最小允許電壓等的限制。19第19頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月3．蓄電池負(fù)載電流計(jì)算模塊蓄電池負(fù)載電流計(jì)算模塊將根據(jù)功率的定義和基爾霍夫電壓定律求解關(guān)于負(fù)載電流的二次方程，即

4．SOC計(jì)算模塊通過計(jì)算，可以得出荷電狀態(tài)SOC的近似值，從而可以確定電池的剩余電量。5．蓄電池散熱模型該散熱模型可以預(yù)報(bào)車輛在行駛過程中和蓄電池充電期間蓄電池的平均溫度和表面溫度。20第20頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月6．鉛酸蓄電池總成模型根據(jù)上述建模方法，電池模型根據(jù)動(dòng)力總線的功率需求計(jì)算蓄電池荷電狀態(tài)SOC，并輸出可用功率。功率損失按內(nèi)阻損失加上“庫侖效率”定律確定的功率損失。21第21頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11.4.3電動(dòng)汽車整車建模1．滾動(dòng)阻力計(jì)算模塊汽車的滾動(dòng)阻力與汽車的滾動(dòng)阻力系數(shù)有很大的關(guān)系，滾動(dòng)阻力計(jì)算公式為2．空氣阻力計(jì)算模塊汽車的空氣阻力是汽車直線行使時(shí)受到的空氣作用力在行駛方向上的分力，在無風(fēng)條件下汽車運(yùn)動(dòng)，汽車空氣阻力計(jì)算公式為22第22頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月3．坡度阻力計(jì)算模塊式中，當(dāng)汽車在上坡行駛時(shí)，汽車重力沿坡道的分力就是汽車的坡度阻力，即4．加速阻力計(jì)算模塊電動(dòng)汽車加速行駛時(shí)，需要克服其質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力，就是加速阻力。汽車的加速阻力與汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)有關(guān)，在ADVISOR模塊中，。因此加速阻力計(jì)算公式為23第23頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月5．電動(dòng)汽車車速計(jì)算模塊電動(dòng)汽車的速度是評(píng)判電動(dòng)汽車的一項(xiàng)很重要的性能，在ADVISOR的模型中也建立了電動(dòng)汽車車速計(jì)算的模塊